Minulost a budoucnost vysoce výkonných polovodičových laserů

S tím, jak se účinnost a výkon neustále zvyšují, budou laserové diody nadále nahrazovat tradiční technologie, měnit způsob, jakým se s věcmi zachází, a stimulovat zrod věcí nových.
Tradičně se ekonomové domnívají, že technologický pokrok je postupný proces. V poslední době se průmysl soustředí více na rušivé inovace, které mohou způsobit diskontinuity. Tyto inovace, známé jako technologie pro všeobecné použití (GPT), jsou „hlubokými novými nápady nebo technologiemi, které mohou mít zásadní dopad na mnoho aspektů ekonomiky“. Vývoj obecné technologie obvykle trvá několik desetiletí a ještě déle přinese zvýšení produktivity. Zpočátku jim nebylo dobře rozumět. I poté, co byla technologie komercializována, došlo k dlouhodobému zpoždění v přijímání výroby. Dobrým příkladem jsou integrované obvody. Tranzistory byly poprvé představeny na počátku 20. století, ale byly široce používány až do pozdních večerních hodin.
One of the founders of Moore's Law, Gordon Moore, predicted in 1965 that semiconductors will develop at a faster rate, "bringing the popularity of electronics and pushing this science into many new fields." Despite his bold and unexpectedly accurate predictions, he has undergone decades of continuous improvement before achieving productivity and economic growth.
Podobně je omezené chápání dramatického vývoje vysoce výkonných polovodičových laserů. V roce 1962 průmysl poprvé demonstroval přeměnu elektronů na lasery, následovala řada pokroků, které vedly k významným zlepšením přeměny elektronů na laserové procesy s vysokým výtěžkem. Tato vylepšení mohou podporovat řadu důležitých aplikací, včetně optického úložiště, optických sítí a široké škály průmyslových aplikací.
Připomenutí tohoto vývoje a četná zlepšení, která přinesla na světlo, zdůraznily možnost většího a rozšířenějšího dopadu na mnoho aspektů ekonomiky. Ve skutečnosti s neustálým zlepšováním vysoce výkonných polovodičových laserů se rozsah důležitých aplikací zvětší a bude mít hluboký dopad na ekonomický růst.
Historie vysoce výkonných polovodičových laserů
16. září 1962 tým vedený Robertem Hallem z General Electric demonstroval infračervenou emisi polovodičů arsenidu galia (GaAs), které mají „podivné“ interferenční vzory, což znamená koherenční laser – zrod prvního polovodičového laseru. Hall se zpočátku domníval, že polovodičový laser je „dlouhá cesta“, protože tehdejší světelné diody byly velmi neefektivní. Zároveň byl k tomu skeptický, protože laser, který byl potvrzen před dvěma lety a již existuje, vyžaduje „jemné zrcadlo“.
V létě 1962 Halle řekl, že byl šokován účinnějšími světelnými diodami GaAs, které vyvinula Lincolnova laboratoř MIT. Následně řekl, že měl štěstí, že mohl testovat s některými vysoce kvalitními materiály GaAs a využil své zkušenosti amatérského astronoma k vývoji způsobu, jak vyleštit okraje čipů GaAs za účelem vytvoření dutiny.
Hallova úspěšná demonstrace je založena na návrhu odrazů záření tam a zpět na rozhraní spíše než vertikálního odrazu. Skromně řekl, že nikdo „s tímto nápadem nepřišel náhodou“. Ve skutečnosti je Hallův návrh v podstatě šťastnou náhodou, že polovodičový materiál tvořící vlnovod má zároveň vlastnost omezovat bipolární nosiče. Jinak není možné realizovat polovodičový laser. Použitím odlišných polovodičových materiálů lze vytvořit deskový vlnovod, který překrývá fotony s nosiči.
Tyto předběžné demonstrace v General Electric byly velkým průlomem. Tyto lasery však mají k praktickým zařízením daleko. Aby bylo možné podpořit zrod vysoce výkonných polovodičových laserů, musí být realizována fúze různých technologií. Klíčové technologické inovace začaly pochopením polovodičových materiálů s přímou mezerou v pásmu a technik růstu krystalů.
Pozdější vývoj zahrnoval vynález laserů s dvojitým heteropřechodem a následný vývoj laserů s kvantovou studnou. Klíč k dalšímu zdokonalování těchto klíčových technologií spočívá ve zlepšení účinnosti a vývoji pasivace dutin, odvodu tepla a technologie balení.
Jas
Inovace za posledních několik desetiletí přinesly vzrušující zlepšení. Zejména zlepšení jasu je vynikající. V roce 1985 byl nejmodernější vysoce výkonný polovodičový laser schopen spojit 105 miliwattů energie do vlákna s jádrem 105 mikronů. Nejpokročilejší vysoce výkonné polovodičové lasery nyní mohou produkovat více než 250 wattů 105mikrometrového vlákna s jedinou vlnovou délkou – což je desetinásobný nárůst každých osm let.

Moore koncipoval "připevnění více součástek k integrovanému obvodu" - pak se počet tranzistorů na čip zvýšil 10krát každých 7 let. Shodou okolností vysoce výkonné polovodičové lasery začleňují do vlákna více fotonů při podobných exponenciálních rychlostech (viz obrázek 1).

Obrázek 1. Jas vysoce výkonných polovodičových laserů a srovnání s Moorovým zákonem
Zlepšení jasu vysoce výkonných polovodičových laserů podpořilo vývoj různých nepředvídaných technologií. Přestože pokračování tohoto trendu vyžaduje další inovace, existuje důvod se domnívat, že inovace technologie polovodičových laserů není zdaleka dokončena. Známá fyzika může dále zlepšit výkon polovodičových laserů neustálým technologickým vývojem.
Například média s kvantovým ziskem bodů mohou výrazně zvýšit účinnost ve srovnání se současnými zařízeními s kvantovými jámy. Pomalá jasnost osy nabízí další řádové zlepšení potenciálu. Nové obalové materiály s vylepšeným tepelným a expanzním přizpůsobením poskytnou vylepšení potřebná pro plynulé nastavení výkonu a zjednodušené tepelné řízení. Tento klíčový vývoj poskytne plán pro vývoj vysoce výkonných polovodičových laserů v nadcházejících desetiletích.
Diodově čerpané pevnolátkové a vláknové lasery
Zlepšení ve vysoce výkonných polovodičových laserech umožnilo vývoj následných laserových technologií; v navazujících laserových technologiích se polovodičové lasery používají k buzení (pumpování) dopovaných krystalů (diodově čerpané pevnolátkové lasery) nebo dopovaných vláken (vláknové lasery).
Přestože polovodičové lasery poskytují vysoce účinnou a levnou laserovou energii, existují dvě klíčová omezení: neukládají energii a jejich jas je omezený. V zásadě je třeba tyto dva lasery používat pro mnoho aplikací: jeden pro přeměnu elektřiny na laserovou emisi a druhý pro zvýšení jasu laserové emise.
Diodově čerpané pevnolátkové lasery. Koncem 80. let se v komerčních aplikacích začalo prosazovat použití polovodičových laserů k pumpování pevnolátkových laserů. Diodově čerpané pevnolátkové lasery (DPSSL) výrazně snižují velikost a složitost systémů tepelného managementu (hlavně recirkulační chladiče) a získávají moduly, které historicky kombinovaly obloukové lampy pro čerpání krystalů pevnolátkového laseru.
Vlnové délky polovodičových laserů jsou voleny na základě jejich překrývání se spektrálními absorpčními vlastnostmi média pro zisk pevnolátkového laseru; tepelné zatížení je výrazně sníženo ve srovnání s širokopásmovým emisním spektrem obloukové lampy. Vzhledem k popularitě laserů na bázi germania 1064 nm se vlnová délka pumpy 808 nm stala největší vlnovou délkou polovodičových laserů za více než 20 let.
Se zvýšením jasu multimodových polovodičových laserů a schopností stabilizovat úzkou šířku emitorové čáry pomocí objemových Braggových mřížek (VBG) v polovině roku 2000 bylo dosaženo druhé generace vylepšené účinnosti čerpání diod. Slabší a spektrálně úzké absorpční vlastnosti kolem 880 nm se staly horkými místy pro vysokojasné čerpací diody. Tyto diody mohou dosáhnout spektrální stability. Tyto výkonnější lasery mohou přímo excitovat horní úroveň laseru 4F3/2 v křemíku, čímž snižují kvantové defekty, čímž zlepšují extrakci vyšších průměrných základních režimů, které by jinak byly omezeny tepelnými čočkami.
Na začátku roku 2010 jsme byli svědky trendu vysokovýkonového škálování jednokřížového 1064nm laseru a související řady frekvenčně konverzních laserů pracujících ve viditelném a ultrafialovém pásmu. Vzhledem k delší životnosti vysokoenergetického stavu Nd:YAG a Nd:YVO4 poskytují tyto spínací operace DPSSL Q vysokou pulzní energii a špičkový výkon, díky čemuž jsou ideální pro ablativní zpracování materiálů a vysoce přesné aplikace mikroobrábění.
vláknový laser. Vláknové lasery poskytují efektivnější způsob přeměny jasu vysoce výkonných polovodičových laserů. Ačkoli optika s multiplexováním vlnových délek může převést polovodičový laser s relativně nízkou svítivostí na jasnější polovodičový laser, je to na úkor zvýšené spektrální šířky a optomechanické složitosti. Vláknové lasery se ukázaly jako zvláště účinné při fotometrické konverzi.
Dvouplášťová vlákna představená v 90. letech 20. století využívají jednovidová vlákna obklopená vícevidovým pláštěm, což umožňuje účinnější vstřikování výkonnějších a levnějších vícevidových polovodičově čerpaných laserů do vlákna, což vytváří ekonomičtější způsob přeměny vysoce výkonný polovodičový laser na jasnější laser. U vláken dopovaných ytterbiem (Yb) pumpa excituje širokou absorpci se středem na 915 nm nebo úzký pás kolem 976 nm. Jak se vlnová délka pumpy blíží vlnové délce laseru vláknového laseru, snižují se takzvané kvantové defekty, čímž se maximalizuje účinnost a minimalizuje se množství rozptylu tepla.
Jak vláknové lasery, tak pevnolátkové lasery čerpané diodami spoléhají na zlepšení jasu diodového laseru. Obecně platí, že jak se jas diodových laserů neustále zlepšuje, zvyšuje se také podíl výkonu laseru, který čerpají. Zvýšený jas polovodičových laserů umožňuje efektivnější konverzi jasu.
Jak bychom očekávali, prostorový a spektrální jas bude nezbytný pro budoucí systémy, které umožní čerpání nízkých kvantových defektů s úzkými absorpčními charakteristikami v pevnolátkových laserech a hustým multiplexováním vlnových délek pro přímé polovodičové laserové aplikace. Plán se stává možným.
Trh a aplikace
Vývoj vysoce výkonných polovodičových laserů umožnil mnoho důležitých aplikací. Tyto lasery nahradily mnoho tradičních technologií a zavedly nové kategorie produktů.
S 10násobným nárůstem nákladů a výkonu za desetiletí narušují vysoce výkonné polovodičové lasery normální fungování trhu nepředvídatelnými způsoby. Přestože je obtížné přesně předvídat budoucí aplikace, je velmi důležité přezkoumat historii vývoje za poslední tři desetiletí a poskytnout rámcové možnosti pro vývoj příštího desetiletí (viz obrázek 2).

Obrázek 2. Aplikace paliva pro vysoce výkonné polovodičové laserové světlo (standardizační náklady na watt jasu)
80. léta: Optické úložiště a počáteční specializované aplikace. Optické úložiště je první rozsáhlou aplikací v průmyslu polovodičových laserů. Krátce poté, co Hall poprvé ukázal infračervený polovodičový laser, společnost General Electrics Nick Holonyak také ukázala první viditelný červený polovodičový laser. O dvacet let později byly na trh uvedeny kompaktní disky (CD) a následně trh optických úložišť.
Neustálé inovace polovodičové laserové technologie vedly k vývoji optických úložných technologií, jako jsou digitální univerzální disky (DVD) a Blu-ray disky (BD). Toto je první velký trh pro polovodičové lasery, ale obecně skromné ​​úrovně výkonu omezují další aplikace na relativně malé mezery na trzích, jako je termální tisk, lékařské aplikace a vybrané aplikace v letectví a obraně.
Devadesátá léta: Převažují optické sítě. V 90. letech se polovodičové lasery staly klíčem ke komunikačním sítím. Polovodičové lasery se používají k přenosu signálů přes sítě s optickými vlákny, ale výkonové jednorežimové čerpací lasery pro optické zesilovače jsou zásadní pro dosažení rozsahu optických sítí a skutečnou podporu růstu internetových dat.
Rozmach telekomunikačního průmyslu, který s sebou přináší, je dalekosáhlý, příkladem je Spectra Diode Labs (SDL), jeden z prvních průkopníků v průmyslu polovodičových laserů s vysokým výkonem. Společnost SDL byla založena v roce 1983 a je společným podnikem mezi laserovými značkami Spectra-Physics a Xerox skupiny Newport Group. Byla zahájena v roce 1995 s tržní kapitalizací přibližně 100 milionů $. O pět let později byla SDL prodána JDSU za více než 40 miliard dolarů během vrcholu telekomunikačního průmyslu, jedné z největších technologických akvizic v historii. Brzy poté telekomunikační bublina praskla a zničila biliony dolarů kapitálu, nyní považována za největší bublinu v historii.
2000: Lasery se staly nástrojem. Přestože je prasknutí bubliny na telekomunikačním trhu extrémně destruktivní, obrovské investice do vysoce výkonných polovodičových laserů položily základ pro širší přijetí. S nárůstem výkonu a nákladů začínají tyto lasery v různých procesech nahrazovat tradiční plynové lasery nebo jiné zdroje přeměny energie.
Polovodičové lasery se staly široce používaným nástrojem. Průmyslové aplikace sahají od tradičních výrobních procesů, jako je řezání a pájení, až po nové pokročilé výrobní technologie, jako je aditivní výroba 3D tištěných kovových dílů. Mikrovýrobní aplikace jsou rozmanitější, protože klíčové produkty, jako jsou chytré telefony, byly komercializovány s těmito lasery. Letecké a obranné aplikace zahrnují širokou škálu kriticky důležitých aplikací a v budoucnu budou pravděpodobně zahrnovat směrové energetické systémy nové generace.
abych to shrnul 
Před více než 50 lety Moore nenavrhl nový základní fyzikální zákon, ale provedl velká vylepšení integrovaných obvodů, které byly poprvé studovány před deseti lety. Jeho proroctví trvalo desítky let a přineslo s sebou řadu převratných inovací, které byly v roce 1965 nemyslitelné.
Když Hall před více než 50 lety předvedl polovodičové lasery, spustilo to technologickou revoluci. Stejně jako u Moorova zákona nikdo nedokáže předpovědět, jakým vysokorychlostním vývojem následně projdou vysoce intenzivní polovodičové lasery dosažené velkým množstvím inovací.
Ve fyzice neexistuje žádné základní pravidlo, které by tato technologická vylepšení řídilo, ale neustálý technologický pokrok může posunout laser vpřed, pokud jde o jas. Tento trend bude i nadále nahrazovat tradiční technologie, a tak dále měnit způsob vývoje věcí. Pro ekonomický růst je důležitější, že vysoce výkonné polovodičové lasery budou také podporovat zrod nových věcí.